約瑟夫效應的應用（The Application of Josephson Effect）

約瑟夫效應的應用（The application of Josephson effect）
國立虎尾科技大學電子工程系吳添全助理教授/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

　　利用Josephson穿隧效應所作成的薄膜或元件，最著名的例子即是SQUID，我們稱為超導量子干涉儀。超導量子干涉儀SQUID是由內部有一小部分且非常薄(約10~20nm)的絕緣層稱之為弱連接(weak link)的超導線圈構成，這弱連接被稱為接合，即是由一或二個Josephson接合連接於超導性電線環路中而成。這種裝置對周遭電磁場的變化非常敏感，就算是非常微弱的磁場變化也可以被偵測出來，目前已可以運用在探測生物體內的微小磁場，如腦波、神經訊號等，解開生理上的謎題。

　　其原理是可探測到在超導性環路內的量子化磁通量，出現的數值必為一個基本單位磁通的整數倍，一個磁通量子約為2.07×10^-7gauss-cm²。在SQUID中的電流為環路中所含總磁通量子的週期性函數，對磁通量的變化極為敏感。一具SQUID可測量到小至10^-18伏特的電壓差異，小至10^-18安培的電流和小至10^-14特斯拉的磁場，因此SQUID可測量低溫下微弱的磁性訊號。Josephson效應可分為直流和交流Josephson兩種。其中直流Josephson效應為在沒有任何電場或是磁場下有直流電流通過接合；而交流Josephson效應為外加一直流電壓於接合的兩端，則會產生頻率為2eV/ħ的振盪電流通過接合。

　　超導線圈於超導態時對外在磁場的改變會有相對應的電流變化，此種變化較一般磁性物質都來的靈敏，因此可利用來感測外部磁場的變化。超導量子干涉儀(Superconducting Quantum Interference Device ; SQUID)即是利用此種原理所製成的磁量測儀器，其設計為將樣品置於超導線圈內，施加一磁場，而後讓樣品往復進出線圈。樣品若對磁場有所感應，則會對週遭的磁場產生影響，而這種影響可由超導線圈的電流變化得知，進而得知樣品的磁特性。Quantum Design SQUID-MPMS-5s超導量子干涉儀的內部結構，其內部有超導磁鐵，磁場最高可加到5T，溫度範圍在 2K-350K之間，需要用液態氦去降溫來保持超導性，可用來測量樣品的磁滯曲線及磁化曲線等磁性質和電性。

　　磁化強度的量測是將樣品在線圈內以步進的方式移動，來收集磁訊號，其原理為磁性物質移動時會有磁通量的變化，依照安培定律可知在線圈上會有感應電流產生，再由儀器本身去作運算而得到樣品的磁化強度值，其磁化強度至少可量測到10^-7EMU (cgs 電磁單位)。所以我們可由這些磁化強度對溫度或磁場變化去判斷它的磁特性。如果要量測一物的電性，我們則需要一支外接式插入樣品量測棒，而將樣品接線在這個樣品座上。當樣品放入SQUID後，外接精密電表以四點量測的方式測量電阻值。

參考資料：http://en.wikipedia.org/wiki/Josephson_effect